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1、BIFRED 电路工作原理Boost Integrated with Flyback Rectifier/Energy storage DC/DC，简写为 BIFREDBIFRED 转换器的主电路结构图 1 所示为一个 DCM Boost PFC 转换器和反激转换器组合而成的两级转换器，通过储能用的大容量电容并联耦合，分别由 PWM 开关 S1、S2 控制。Boost 转换器工作在 DCM 模式，具有功率因数校正的功能，开关的控制只是用来调节输出电压。可以将 BoostPFC 转换器和反激式转换器集成为单级，以省去反激式转换器中的开关 S2，将变压器初级电路稍加改变。例如，把储能电容 CB 改
2、成串接，把开关 S1 置于二极管 D1 之后，并改变变压器初级绕组的极性等，就形成了单级 BIFRED 转换器。其主电路如图 2 所示。功率因数校正与输出电压调节两部分共用一个开关管 S1。图 1 DCM Boost PFC 转换器和反激式转换器组合而成的两级转换器图 2 BIFRED 转换器主电路BIFRED 转换器虽然是单级，但分析时可以分别考虑 PFC 转换器和负载转换器的功能。（1）PFC 转换器。DCM 升压转换器由输人电感 L1、二极管 D1、开关管 S1，储能电容 CB 组成 PFC 转换器,储能电容 CB 是一个关键元件，它既是 DCMBoost 转换器的输出滤波电容，也是 C
3、CM 反激式转换器的输入电压源。（2）负载转换器。由变压器 Tr、开关管 S1、输出滤波电容 C、输出二极管 D2 组成负载转换器，即工作于CCM 模式的 DCDC 反激式转换器。反激转换器中 Tr 既是隔离变压器，也起电感的作用，变比为 n1，假设等效励磁电感 Lm 并联于次级绕组，则 LM 中的电流即为励磁电流 im。BIFRED 转换器的工作原理图 1 所示为一个开关周期内 BIFRED 转换器的三个等效电路。假设输出滤波电容 C 很大，可以等效成为电压源Uo。图 2 为 BIFRED 转换器的工作波形图。TonDuTs 为开关导通的时间， Du 为占空比，Ts 为开关周期；Toff（
4、1Du）Ts 为开关关断时间； Du1Ts 为电流 iL 下降、但不为零的时问；（1-Du-Du1）Ts为电流 iL 等于零的时间。（1）0tDuTs，开关 S1 导通，D2 关断。输入电流 iL 上升，上升的斜率为 Udc/L1,为整流输入电压。L1 储能，电容 CB 放电。变压器的励磁电感 Lm 储能，励磁电流上升，上升的斜率为 UBnLm。等效电路如图1（a）所示。图 1 一个开关周期内 BIFRED 转换器的等效电路（2）DuTst（DuDul） Ts，开关 S1 关断，D2 导通。 L1 的储能对电容 CB 充电，iL 下降，其下降斜率为-（UBnUo-dc）L1。励磁电感 Lm 的
5、储能向负载释放，使励磁电流 im 下降，下降斜率为-Uo/Lm。等效电路如图 1（b）所示。（3）t（Du，Du1）Ts，开关 S1 仍然关断，电流 iL 等于零，励磁电流 im 继续以同样的斜率线性下降。等效电路如图 1（c）所示。前面已经说明，DCM Boost PWM 转换器的电感电流峰值 iLPK 正比于 sin|t|，具有 PFC 功能。一个 BIFRED 转换器样机的实验结果如下：Uo5V ，P。90W，fs 50kHz，71.12，输人电流的 3 次谐波为 16.84，5 次谐波为 2.715，7 次谐波为 2.3。图 2 BIFRED 转换器的工作波形BIFRED 转换器的转换
6、比（增益）M假设 BIFRED 转换器的输出电压 U0 及储能电容器上的电压 UB 为直流，即忽略其 2 倍工频纹波。根据 L1 和Lm 承受电压的伏秒平衡规律,L1 工作在 DCM 模式：Lm 工作于 CCM 模式：DudcDu1（ UBnU。-U） （837）可知，BIFRED 转换器的转换比 M 与负载电流、开关频率等有关。有源功率的储能电容 CB 的电压应力对于 BIFRED 和 BIBRED 转换器来说，储能电容 CB 既是 PFC 级转换器的输出滤波电容，也是负载级转换器的输入电压源。在恒频下轻载工作时，负载电流下降，开关管的导通时间 ton 和占空比 Du 减小，但负载级转换器的
7、电压调节作用使 U。保持不变；则由式（ 840）可知 UB 将增大。将式（8-42） 、式（843）代人式（ 837） ，可以得到 UB 的估算式如下由式（8-44）可知，在轻载情况下或输人电压增高、工作频率降低时，UB 都将升高。根据式（844）的计算可以得到 BIFRED 转换器储能电容 CB 的电压应力曲线 UBf （I。 ，ui） ，如图 1 所示，Ui 表示市电电网交流输人电压的有效值，10，U。5V ，fs50kHz，L1170 H图 1 BIFRED 转换器储能电容 CB 的电压应力曲线，UB f（I。 ，u）对于国际通用的电网电压（AC 85265 V） ，BIFRED 和 B
8、IBRED 转换器在轻载时，CB 的电压应力 UB 将达到很高的数值。例如由图 1 的曲线可知，若输人交流 AC 270 V，满载时电压应力 UB 约为 500V，20负载（4 A）时，UB 将达到 900 V。因此 BIFRED 和 BIBRED 转换器用常规控制时，不适用于国际通用输入电压的情况。集成 PFC 整流器调节器的优、缺点集成 PFC 整流器- 调节器（BIFRED 和 BIBRED 转换器）的优点是：电路简单，成本低；可以隔离绝缘；谐波电流满足 IEC1000-3-2；输出电压可以调节。存在的问题是：轻载时，储能电容 CB 电压应力高；开关关断时，开关电流应力大。使储能电容 C
9、B 承受的黾压 CB：与负载无关的一种办法是：升压 PFC 转换器和负载转换器均工作在 DCM模式，但这样将增大器件的电流应力，使导通损耗增大。表 1 给出了 PFC 级和负载级工作模式不同的三种方案的比较。表 1 BiFRED 运行模式不同的三种方案优、缺点比较PFC 同时实现对输入电流整形及对输出电压调节的设计方案1 引言近年来 PFC 技术是电力电子学界的一个热门话题，已经提出了许多 PFC 电路。目前，带有功率因数校正的开关变换器通常分为两级结构和单级结构。在两级结构中，第一级类似于 Boost型 PFC 电路，目的在于提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波;第二级为 DC/DC
10、变换器或 DC/AC 变换器，目的在于调节输出以便与负载匹配。由于两级分别有自己的控制环节，使得这个电路具有良好的性能，但是，元器件个数太多，与没有 PFC 的相同电路相比，成本约增加15%。为了使 AC/DC 电源在满足谐波标准的同时，能够实现低成本、高性能，于是对单级 PFC 的需求越来越紧迫，特别是在小功率应用场合。单级 PFC 变换器使 PFC 和 DC/DC 级共用一个开关管，只有一套控制电路，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。但是，单级功率因数校正电路有自己的缺点，当 PFC 级工作在 DCM 模式，轻载时，直流母线(Bus)上的电压将成为主要问题。本文将从理论上推导 D
11、C/DC 级工作在 DCM 模式时的直流母线电压的公式(DC/DC 级工作在 CCM 时的情况见文献 2)，然后通过实验验证，为解决问题提供理论依据。同时，通过直流母线的推导，顺便推导出电路的 PF 和 THD。2 电路工作原理单级功率因数校正的主电路图如图 1 所示，它是一种简单的 BIFRED(Boost Integrated with Flyback Rectifier/Energy Storage/DC-DC Converter)，工作波形见图 2。图 1 主电路示意图图 2 工作波形图虽然 BIFRED 只有一个开关，但是和两级的功能却是一样的。实际上，输入电感 L1，二极管D1，开
12、关 S1，和储能电容 C1 组成了一个 DCM Boost 功率级，而开关 S1，带励磁电感 Lm 的变压器，输出二极管 D2 和输出滤波电容 C2 组成了一个反激级。其中变压器原副边匝比 n=N1。0-t0段开关 S1 导通，L1 通过输入整流电压储能，电感电流 iL1(=iin)上升。同时，励磁电感 Lm 通过电容 C1 放电而储能，这时电容 C1 和变压器原边是并联的。因而，励磁电流上升。二极管 D2 由于反向偏置被关断。t0-t1段 t0 时刻开关 S1 关断，随着电感电流 iL1 下降到 0，储存在电感 L1 中的能量转移到电容 C1。在这个阶段，D2 导通，所以储存在 Lm 中的能
13、量转移到输出电阻。励磁电流下降。t1-t2段 t1 时刻 iL1 下降到 0，但励磁电感 Lm 中的电流 iLm 可能还没到 0，假设在 t2 时刻 iLm 下降到 0，则二极管 D2 关断。为了获取输入电流的低谐波畸变，L1 必须工作在 DCM，也就是说，iL1 必须在开关 S1 再次导通前下降到 0。通常情况，Lm 可以工作在 DCM 或者 CCM。但是 CCM 工作存在轻载直流母线电压过高的问题。所以在设计中应使 L2 工作在 DCM 状态下。3 理论推导3.1 直流母线电压的理论推导根据电感 L1 的伏秒平衡，得到DTs= (1)式中：uin（t）为输入电压瞬间值；L1 为 Boost
14、 电感；Ts 为开关周期；DTs 为开关导通时间；Uo 为输出电压；Ub 为直流母线电压（bus voltage） ；n 为变压器匝比；D1Ts 为电感电流的续流时间（D式（1）化简得D1= (2)通过电感电流围成面积计算，可得Iav(sw)= （3）式中：Iav（sw）为输入电流的开关周期平均值；Ip 为输入电流一个开关周期的峰值。把式（2）代入式（3） ，并令 Ip= ，得到Iav(sw)=D2uin(t) （4）令 T 为工频周期，则电路输入功率 Pin 可由式（5）得到Pin= Iav(sw)uin(t)dt（5） 令 uin=Upsin(t)，把式（4）代入式（5） ，得到Pin=
15、sin2(t)dt（6）而输出功率 Po 为Po= （7）式中：L2 为原边励磁电感，L2=n2Lm;fs 为开关频率。把 Ip=代入上式，得到Po=D2Ts （8）不考虑损耗，由 Pin=Po 可得dt=1 (9)通过上式，把已知条件(输出电压 12V，n=7，开关频率 50kHz)代入，就可以通过解方程得出直流母线电压Ub。图 3 为在不同条件下计算后所得到的直流母线电压图，横坐标是输入电压有效值（V ） ，纵坐标是直流母线电压值（V） 。图 3 直流母线电压变化图3.2 输入电流 PF 以及 THD 计算功率因素（Power Factor）是实际消耗的功率与电力供给容量之比值。所以功率因
16、素越高，电力在传输过程中即可减少无谓的损失并提高电力的利用率。功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为 1,一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于 1.功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。如果令 = ，且 Uin=Upsin() ，则式（4）可变为Iav(sw)= （10）这就是输入电流的具体表达式。如果在输入电压 90V,输出电压 12V,L1/L2=0.5,n=7,开关频率 50kHz 时，通过式（9）得到直流母线电压为 151.628V.这时 =0.382, 如果令输入电压是标准正弦波，且与输入电流同相，则通过对式（10）进行傅立叶分析
